某住宅小区集中供冷方案技术经济分析

宫树娟



某住宅小区集中供冷方案技术经济分析

宫树娟

（中信建筑设计研究总院有限公司 武汉 420100）

采用BIN参数法对某住宅小区集中供冷系统进行了能耗分析，并在三种方案下进行了经济性分析，得出第三种方案的投资回收期最短。然后针对该住宅小区集中供冷系统运行情况，分析了其中存在的问题及原因，提出优化运行策略、增大供回水温差、改变供能方式及增加水蓄冷系统等优化措施。

住宅小区；集中供冷；能耗分析；经济性分析

0 引言

集中供冷供热（DHC）系统作为现代城市能源系统的一部分，在提高能源利用效率、保护环境、管理维护方便、有效利用建筑空间及改善建筑外观方面具有十分突出的优点，在欧美、日本等国家获得了普遍的发展[1,2]。近年来集中供冷（DC）系统在我国南方地区被作为节能、先进的空调解决方案得到推广，在大型住宅[3]、地铁车站[4,5]、高密度商业建筑区等得到了广发应用。但在应用中出现了初投资高、运行费用高等问题，用户难以接受[6,7]。

本文采用BIN参数法对某住宅小区集中供冷系统进行了能耗分析，并在三种方案下进行了经济性分析，得出第三种方案的投资回收期最短。针对某住宅小区集中供冷系统的运行情况，分析了其中存在的问题及原因，并对该住宅小区的空调系统方案提出一些优化措施。

1 工程概况

该住宅小区位于夏热冬冷地区，外墙采用了EPS保温，外窗采用带隔热构造的复合窗框型材和双层低辐射中空辐射玻璃，窗的内外两侧都采用遮阳技术。目前建成使用的住宅建筑面积46万m2，设计冷负荷16MW；规划公共建筑面积11万m2，设计冷负荷8MW，规划住宅面积约为51万m2，设计冷负荷18MW。夏季采用集中供冷，集中供冷中心已建有2台6000kW制冷机，冷量经管网输送到每个楼栋设置的换热站，冷水经板式换热器换热后，输送到每个用户的风机盘管，向用户室内提供冷量。该住宅小区用冷量占供冷量的50%左右，热损失过大，整个集中供冷系统运行效果不理想。

2 方案分析

下面对已建住宅、已建住宅+规划住宅、已建住宅+规划住宅+规划公建三种方案进行分析。

2.1 运行成本分析

集中供冷系统的运行效果与系统负荷率息息相关，系统负荷率包括三个方面：（1）用户侧负荷率影响着机组容量、运行费用；（2）管网负荷率影响着系统初投资；（3）机组负荷率影响着系统能效比。考虑到住宅及公建的实际负荷率不同，假设公建的负荷率为100%，住宅的负荷率为100%、50%、30%时分别对应高负荷率、中负荷率、低负荷率三种情况。

根据该地区BIN气象参数来计算制冷机在整个供冷季的制冷量。由于7、8、9月与5、6、10月的各时段电价不同，所以根据该地区全年气象参数[8]对各时段内的参数进行了统计，这里假设住宅和公建空调运行时间为24小时。

表1 5月至10月BIN参数

表2 三种方案下设备配置表

三种负荷率下三种方案的运行成本比较见图1。

图1 三种方案的运行成本比较（元/kWh）

从图1中可以看出用户侧高负荷率情况下的运行成本最低，且规划住宅和公建的投入使用可增加用户数，降低运行成本。

2.2 回收年限分析

表3 集中供冷系统初投资估算[9]

表4 三种方案下各项费用比较（万元）

注：收费按0.5元/kWh（冷）

从表4可以看出，第三种方案的回收年限最短，方案三较方案一回收年限减少了8年。

3 存在问题及优化措施

目前使用的集中供冷系统运行效果不理想，集中供冷成本较高，笔者分析主要的原因包括以下几个方面，并提出相应的解决方法。

3.1 用户侧负荷率低

从图1中可以看出，方案一高负荷率较低负荷率的理论运行成本低20%左右。实际运行过程中，住宅的负荷率较公建的负荷率要低，而且相对不稳定，公建其冷量需求稳定，呈正态分布，而且随着室外温度变化其冷负荷波动较小。因此，当公建投入使用后，可为集中供冷中心带来8MW的稳定负荷，极大的提高用户侧负荷率。

3.2 供回水温差较小

根据对实际运行情况的调研，发现该住宅小区供冷系统的供回水温差最低仅有2℃。这种小温差大流量的运行工况与供回水温差8℃的设计工况相比，其输送能耗会有成倍的增加。以高负荷率为例，供回水温差为6℃和8℃时的运行成本分别为0.347、0.235元/kWh，相差0.132元/kWh，因此建议采用大温差、小流量技术，在制冷系统实际运行中，应尽量提高供回水温差至设计工况，水泵变频运转。

3.3 运行方式不合理

以某年7月份为例，管网损耗计算如下。

表5 管网实际运行热量损失表

由表5可知，管网热损失16160kWh，相当于产冷量（33406kWh）的48.4%。上述计算充分说明了，在如此低下的负荷率下，二次泵、板换机组循环泵的非变频运行是管网效率低下的主要原因，所以建议严格按照水泵变频运转、1机1塔1泵对应运转，提高管网效率，减少管网热损失。以高负荷率为例，运行方式优化后与目前方式的运行成本分别为0.235、0.26元/kWh，优化后运行成本可降低11%。

3.4 供能方式的改变

考虑水管埋地敷设对水质有较高要求，故末端与冷冻机房采用板换进行水路隔断，冷水机组供回水温度6/14℃，板换供回水温度9/16℃，若取消热交换站对末端风机盘管直接供冷，在保证相同末端供水温度9℃不变的情况下，制冷机供水温度可提高3℃，以高负荷率为例，制冷机的cop可提高约9%，运行成本由0.235降低到0.222元/kWh，所以如果有安装可能，可以考虑采用直供的方式。

3.5 运行策略的不合理

由于在相同的用户负荷率下，运行机组的组合方式可以不同，而冷水机组在部分负荷率下的cop是不同的，所以，机组的组合方式直接影响着系统的耗电量，从而影响系统的运行成本。下面以高负荷率为例，简单计算一下两种组合方式下的运行成本：方式1为两台机组同时运行，平均分担负荷；方式2为50%负荷率下运行一台机组，60%以上运行两台机组，并使一台机组在满负荷状态下运行。方式1和方式2下的运行成本分别为0.255、0.235元/kWh，所以应采用方式2的组合运行方式。

3.6 增加水蓄冷系统

3.6.1 水蓄冷方案设计

目前集中供冷中心制冷机房内配置总装机容量为12MW，扩容后整个住宅小区包括住宅和公建，这里与方案3的场景设置相同，则设计日尖峰负荷为36MW左右，夜间低谷时期基载负荷约24MW。根据冷负荷情况及制冷机房设备，新建4个6000m3蓄冷水槽，水槽蓄冷温差为8℃时，系统最大蓄冷能力为223MWh，设计日总负荷为637MWh，蓄冷率为35％。典型设计日的冷负荷逐时变化见图2。

图2 冷负荷逐时变化（MW）

图3 100%负荷运行策略图

由于电价政策在蓄冷后分为高峰、平段和谷段，运行方式按最大限度节约电费来进行，即：晚上低谷时段利用2～4台6MW冷水机组充冷，白天平段先利用蓄水槽的冷量进行供冷，蓄冷水槽的冷量释放完毕时，然后开启主机进行供冷。在不同的季节，天气发生变化，日负荷变小时，系统将依据实际的冷负荷需求，通过控制系统调节运行模式，自动调整每一时段内蓄冷装置蓄冷、供冷及主机供冷的相对比例，以实现分量蓄冷模式逐步向全量蓄冷模式的运行转化，按照蓄冷装置优先供冷的原则，最大限度地节省运行费用。图3～图6分别给出100%、70%、50%、30%设计日负荷下水蓄冷空调系统的运行策略。

图4 70%负荷运行策略图

图5 50%负荷运行策略图

图6 30%负荷运行策略图

3.6.2 初投资比较

水蓄冷系统与方案3常规空调系统相比，前者比后者多一套水蓄冷系统，后者比前者多一台主机及相应设备。所以可以对增加水蓄冷系统和购置一台主机的投资进行比较。

表6 水蓄冷系统投资估算表（万元）

表7 购置一台主机投资估算表（万元）

3.6.3 运行费用比较

表8 水蓄冷系统和常规系统运行费用比较（万元）

从表8可以看出，就整个住宅小区来说，水蓄冷系统比常规空调系统每年节约运行费用302万元。水蓄冷系统比另上1台冷水机组初投资增加1908万元，多出的投资6年即可收回成本。

4 结论

（1）通过计算可知，规划公建及东住宅的投入使用可以提高用户侧负荷率，降低运行成本，且第三种方案的回收年限最短。

（2）供回水温差相差2℃时运行成本相差30%左右，所以应尽量提高供回水温差至设计工况。

（3）运行方式的优化可使运行成本降低11%，所以应严格按照水泵变频运转、1机1塔1泵对应运转，并选择合理的运行策略。

（4）供能方式方面，采用直供的方式，运行成本可降低5%左右。

（5）就整个住宅小区来说，水蓄冷系统比常规空调系统每年节约运行费用302万元，多出的投资6年即可收回成本，建议增加水蓄冷系统。

[1] 苏生,寿青云.区域供冷供热系统冷热源方案经济性分析与比较[J].建筑热能通风空调,2003,22(3):43-45.

[2] 周丽,钟凡.区域供冷供热系统的应用研究[J].洁净与空调技术,2014,(1):89-91.

[3] 姚晔,连之伟,何英伟.住宅楼集中供冷系统的优化运行工况[J].上海交通大学学报,2005,39(8):1257-1260.

[4] 张悦.集中供冷系统在地铁中的应用[J].制冷与空调,2009,23(1):47-50.

[5] 许慧华,候志坚.地铁集中供冷的几个问题[J].制冷与空调,2004,(1):33-37.

[6] 朱颖心,王刚,江亿.区域供冷系统能耗分析[J].暖通空调,2008,38(1):36-40.

[7] 马福多.区域供冷技术的应用及发展分析[J].建筑节能,2009,(8):26-28.

[8] 清华大学.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[9] 刘倩.夏热冬冷地区住宅小区集中与分散式供能方式的优化比较[D].上海:同济大学,2008.

Technical and Economic Analysis of District Cooling in residential area

Gong Shujuan

( CITIC General Institute of Architectural Design and Research Co., Ltd, WuHan, 420100 )

This paper analyzes the energy consumption of district cooling system in residential area using the Bin method. By economic analyzing, the payback period of the third case is the shortest. Then it analyzes existing problems and reasons of system operational aspects in the first phase, and optimization measures about the air conditioning system are proposed, such as optimizing operation strategy, increasing supply and return water temperature, changing the energy supply way, and adding a water storage system.

residential area; district cooling; energy consumption analysis; economic analysis

1671-6612（2017）05-487-05

TU822

A

2017-01-05

作者（通讯作者）简介：宫树娟（1985.02-），女，硕士研究生，工程师，E-mail：gsj219@126.com